飛機(jī)剎車轂使用和維修中的碳盤防氧化

楊先學(xué)

摘 要：針對(duì)飛機(jī)剎車轂在使用中出現(xiàn)的碳盤氧化，分析了碳盤的氧化機(jī)理，綜述了碳盤在生產(chǎn)時(shí)的抗氧化處理，分析了碳盤使用中的氧化類型：高溫氧化和催化劑氧化。高溫氧化的嚴(yán)重程度與溫度高低及持續(xù)時(shí)間有關(guān)。催化劑氧化與碳盤在剎車轂使用和維修過程中接觸到外來化學(xué)劑有關(guān)。提出了在剎車轂使用和維修中針對(duì)碳盤高溫氧化和催化劑氧化的建議措施。

關(guān)鍵詞：剎車轂 碳盤 氧化

現(xiàn)代飛機(jī)廣泛使用碳剎車轂。在碳剎車轂的使用和維修過程中，發(fā)現(xiàn)有碳盤出現(xiàn)嚴(yán)重氧化，甚至導(dǎo)致碳盤斷裂、損傷剎車轂和輪轂零部件，影響飛機(jī)的安全和航班正常。分析碳盤的氧化機(jī)理，綜述碳盤在生產(chǎn)時(shí)的抗氧化處理，結(jié)合碳盤在使用中出現(xiàn)的氧化類型，以便在剎車轂的使用和維修中采取有針對(duì)性的碳盤防氧化措施。

1 碳盤的氧化機(jī)理

碳在常溫和普通環(huán)境下幾乎呈化學(xué)惰性，但在較高的溫度下，單質(zhì)碳具有很強(qiáng)的還原性，因而很容易與氧化性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。碳的氧化包括碳與氧氣、二氧化碳和水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)。在溫度較低時(shí)，碳與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳，在較高的溫度時(shí)，碳與氧氣反應(yīng)還可生成一氧化碳。在溫度約700 ℃時(shí)，碳與二氧化碳、水蒸氣反應(yīng)生成一氧化碳及氫氣。

碳盤的氧化過程：（1）氧化氣體向碳盤表面擴(kuò)散；（2）氧化氣體吸附在碳盤表面；（3）在碳盤表面進(jìn)行氧化反應(yīng)；（4）氧化反應(yīng)生成的氣體脫附；（5）生成的氣體擴(kuò)散、離開碳盤表面。

碳盤碳材料的基本結(jié)構(gòu)是微晶石墨。石墨的氧化活性與晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和雜質(zhì)等有關(guān)。碳盤存在一些氧化活性點(diǎn)，會(huì)吸附空氣中的氧氣，在400 ℃時(shí)就開始發(fā)生氧化反應(yīng)[1]。氧化活性點(diǎn)越少，氧化速度越慢。隨著溫度的升高，碳原子的氧化活性會(huì)增強(qiáng)，使更多的原子投入氧化反應(yīng)，氧化速度會(huì)加快。

碳盤碳材料是多孔材料。氣體會(huì)通過碳盤表面孔隙進(jìn)入材料內(nèi)部。在較低溫度時(shí)，氧氣在碳盤孔隙內(nèi)的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)大于反應(yīng)速度，碳盤內(nèi)外基本均勻反應(yīng)。隨著溫度升高，氧化反應(yīng)速度會(huì)不斷提高。在450 ℃～650 ℃時(shí)，含氧氣體在碳盤孔隙入口處消耗較多，進(jìn)入材料內(nèi)部較少，因而碳盤表面的氧化多于碳盤內(nèi)部。當(dāng)碳盤溫度高于650 ℃時(shí)，氧化反應(yīng)速度進(jìn)一步提高，含氧氣體在碳盤表面就消耗完了，碳盤內(nèi)部幾乎沒有氧化[2]。

2 碳盤生產(chǎn)時(shí)的抗氧化處理

飛機(jī)剎車轂碳盤在正常剎車時(shí)的溫度均高于碳材料的開始氧化溫度。在中斷起飛、著陸情況下，碳盤溫度甚至?xí)h(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳材料開始氧化溫度。碳盤生產(chǎn)廠家在碳盤生產(chǎn)時(shí)都會(huì)對(duì)碳盤進(jìn)行抗氧化處理。碳盤抗氧化處理的關(guān)鍵在于延緩或阻止碳材料的氧化或隔離碳材料和氧化環(huán)境。

延緩或阻止碳材料的氧化，可通過對(duì)碳纖維和基體碳進(jìn)行改性處理實(shí)現(xiàn)，使碳材料本身具有較強(qiáng)的抗氧化能力。具體方法包括添加抑制劑和內(nèi)部涂層。內(nèi)部涂層在工藝實(shí)施上受到較大限制，通常采用在碳材料內(nèi)部添加抑制劑。在工作溫度時(shí)，添加劑或添加劑和碳反應(yīng)的生成物，會(huì)優(yōu)先與氧發(fā)生反應(yīng)，從而起到阻止碳氧化的作用。添加劑反應(yīng)生成物還會(huì)改變碳材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加致密度、堵塞碳材料孔隙，阻礙含氧氣體在碳材料內(nèi)部擴(kuò)散。處于碳材料表面或近表面的添加劑能形成一定玻璃相，玻璃相的流動(dòng)會(huì)在碳材料表面形成薄的保護(hù)膜，阻止含氧氣體進(jìn)入碳材料孔隙和裂縫。常用的添加劑有硼、硅及其化合物等。

碳盤表面使用抗氧化涂層，阻止含氧氣體與碳盤碳材料的接觸。飛機(jī)剎車轂碳盤表面抗氧化涂層要具有在中低溫度下可使用較長(zhǎng)時(shí)間的性能。涂層性能要求主要包括：能有效阻止含氧氣體向碳盤內(nèi)部擴(kuò)散；涂層與基體結(jié)合緊密；涂層成分必須有低的蒸發(fā)性能；涂層與基體材料熱膨脹系數(shù)相差小，不會(huì)因溫度變化而脫落；涂層應(yīng)完整致密，在較高溫度下具有一定的自愈合性能。目前主要使用硼酸鹽涂層和磷酸鹽涂層。硼酸鹽涂層以有機(jī)硅樹脂作為粘接劑，硼和硼酸鹽以及某些金屬粉末作為填料。磷酸鹽涂層的主要成分為磷酸鋁、磷酸錳、磷酸鋅、磷酸鈣、二氧化硅等。

3 碳盤使用中的氧化類型

盡管碳盤在生產(chǎn)時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了抗氧化處理，但在剎車轂使用過程中，碳盤仍然可能發(fā)生兩種類型的氧化：高溫氧化和催化劑氧化。

高溫氧化與剎車時(shí)的碳盤溫度有直接關(guān)系。碳盤在生產(chǎn)時(shí)采取了一定的抗氧化措施，使得在一定溫度下碳盤不會(huì)有明顯的氧化。碳盤溫度升高超過一定值時(shí)，碳盤上的抗氧化涂層會(huì)蒸發(fā)，碳材料和添加劑會(huì)加速氧化。氧化的嚴(yán)重程度與溫度高低及持續(xù)時(shí)間相關(guān)。碳盤剎車時(shí)的溫度與碳盤初始溫度、剎車能量和減速快慢有關(guān)。在高溫天氣時(shí)，碳盤的初始溫度相對(duì)低溫天氣要高。在飛機(jī)中斷起飛或著陸時(shí)，剎車能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于飛機(jī)正常著陸時(shí)的剎車能量。飛機(jī)在著陸時(shí)的減速方式包括地面擾流板、發(fā)動(dòng)機(jī)反推裝置和剎車轂等。減速的快慢與減速方式的選擇有關(guān)；減速的快慢也與飛機(jī)著陸滑行距離的客觀要求有關(guān)。飛機(jī)減速越快，碳盤的剎車溫度會(huì)越高。碳盤溫度越高、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，碳盤高溫氧化越快。碳盤高溫氧化的表現(xiàn)形式為氧化均勻分布在碳盤的內(nèi)徑和外徑邊緣。剎車轂中間位置的碳盤最可能發(fā)生高溫氧化，或其氧化程度最嚴(yán)重。

催化劑氧化與碳盤在剎車轂使用和維修過程中接觸到外來化學(xué)劑有關(guān)。這些化學(xué)劑不僅會(huì)與抗氧化涂層中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而破壞其防氧化功能，而且會(huì)與碳材料添加劑成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，直接破壞碳材料的抗氧化性能。碳盤可能接觸到的化學(xué)劑有磷酸酯液壓油、清洗劑、除冰液和滅火劑等。剎車轂零部件可能發(fā)生滲漏故障，磷酸酯液壓油會(huì)流到或?yàn)R到碳盤上。冬季飛機(jī)除冰時(shí)，除冰液可能流到或?yàn)R到碳盤上。剎車轂著火時(shí)，滅火劑會(huì)噴到碳盤上。催化劑氧化的表現(xiàn)形式為氧化出現(xiàn)在化學(xué)劑接觸碳盤的區(qū)域。

4 飛機(jī)剎車轂使用和維修中的碳盤防氧化措施

對(duì)于碳盤的高溫氧化，采取的措施應(yīng)為降低碳盤溫度、降低高溫持續(xù)時(shí)間。飛機(jī)系統(tǒng)應(yīng)配置剎車?yán)鋮s風(fēng)扇。飛機(jī)滑行到停留位置后，尤其在高溫天氣，應(yīng)使用輪擋固定飛機(jī)，松開停留剎車。在飛機(jī)中斷起飛、著陸后，剎車轂應(yīng)拆下，車間分解檢查碳盤的氧化，若有氧化跡象，則碳盤不允許繼續(xù)使用。

對(duì)于碳盤的催化劑氧化，采取的措施應(yīng)為盡量避免碳盤接觸化學(xué)劑及進(jìn)行相應(yīng)的檢查。若碳盤接觸到液壓油，應(yīng)評(píng)估液壓油污染面積和部位，若在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，應(yīng)立即使用干凈不起毛的布浸上異丙醇清潔。不允許使用堿性清潔劑清潔。冬季飛機(jī)除冰時(shí)，應(yīng)對(duì)碳盤進(jìn)行保護(hù)，防止碳盤接觸除冰液。選擇對(duì)碳盤低催化劑氧化的除冰液。剎車轂著火時(shí)，不允許使用泡沫滅火劑和干粉滅火劑[3]。

參考文獻(xiàn)

[1]羅瑞盈，向巧，李進(jìn)松，等.先進(jìn)碳/碳復(fù)合飛機(jī)剎車材料關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2010（1）：56-58.

[2]藥寧娜.C/C-SiC飛機(jī)剎車材料用硼硅玻璃涂層的制備與防氧化性能[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]MESSIER-BUGATTI-DOWTY部件維護(hù)手冊(cè)32-41-82[Z].